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【科技动向】材料!美国北卡大学的机翼用复合金属泡沫展现比铝合

作者:admin     发布时间:2019-11-30 16:15 点击数:

  原标题:【科技动向】材料!美国北卡大学的机翼用复合金属泡沫展现比铝合金优异得多的性能

  2019年10月21日,美国北卡罗莱纳州立大学网站发表题为“复合金属泡沫用于机翼,比铝合金更优异”(Composite Metal Foam Outperforms Aluminum for Use in Aircraft Wings)的报道(“阅读原文”):飞机机翼前缘部位必须满足非常严苛的性能指标。最新的研究表明,与目前飞机机翼广泛使用的铝合金相比,含钢的复合金属泡沫(CMF)与环氧树脂相结合制成的新材料,具有更理想的应用特性。

  此项研究论文的通讯作者、北卡罗来纳州立大学机械和航空航天工程学院教授、阿夫桑·拉比博士(Dr.Afsaneh Rabiei)表示,这种混合新材料被称为“灌注复合金属泡沫”(infused CMF)。尽管灌注CMF与铝合金重量大致相同,但从飞机实际的飞行性能、安全性和燃油效率的角度来看,新材料强度更高,且兼具其他优异特性,这使得这种新材料更具吸引力。

  北卡大学机械和航空航天工程学院教授、阿夫桑·拉比博士以及她领导的先进材料实验室(AMRL)和开展工作的主要方向(美国北卡罗来纳州立大学图片)

  CMF是一种泡沫,它由中空的金属球(如不锈钢或钛合金)组成,并嵌入由钢、铝或其他金属合金制成的金属基体中。在这项研究中,研究人员制成的CMF,由钢制金属球体和钢制基体构成。通过此前的研究发现,这种金属泡沫非常坚硬,可承受.50口径(12.7毫米口径)弹药的冲击,也可以耐高温,能够抵御高爆炸弹释放的能量。

  这种灌注CMF的制备过程:首先将钢制CMF浸入疏水性环氧树脂,然后利用真空力将树脂灌入中空金属球体以及钢基体本身的小孔中,最终制成“灌注CMF”。这使得这种CMF的孔中约88%的空间都被环氧树脂填充。

  一是接触角。接触角是液体与固体接触时所产生的角度,是水在结构表面的聚集程度的量度。它决定水从材料表面流出速度的快慢——材料的接触角越小,水在表面附着的越多。这与飞机机翼结构息息相关,因为机翼上的积水会影响飞机的性能。研究人员发现,灌注CMF的接触角比不锈钢高43%,比铝合金高130%,显著提高了材料表面的疏水性。

  二是昆虫附着力。它决定虫子附着在材料表面的程度;昆虫附着力有两种测量方法:一种是测量材料上积聚昆虫残留物的最大高度;另一种是测量材料表面被昆虫残留物覆盖的面积。同样,白小姐玄机资料灌注CMF在这项指标上优于铝合金——在残留物最大高度方面降低60%,残留物覆盖面积降低30%。

  三是颗粒损耗度。即材料承受侵蚀的程度。研究人员进行了喷砂试验,模拟飞机机翼在飞行过程中随时间推移发生磨损引起的腐蚀现象。研究人员发现,尽管喷砂确实对灌注CMF的表面造成了损伤,但损伤程度依然比铝合金更好;即使在最严重的腐蚀条件下,灌注CMF表面的接触角仍然能保持高出铝合金50%。换句话说,灌注CMF在侵蚀和磨损作用后,仍能保持其特性,这表明它可以使机翼前缘组件具有更长的使用寿命,同时还能降低维护和更换的成本。六合神高手论坛

  铝合金目前仍然是制造固定翼和旋翼飞机机翼前缘的首选材料,但北卡罗莱纳州立大学的研究成果表明,灌注CMF可能是极具价值的替代品,在相同重量的情况下可以提供更好的性能。此外,如果更换基体或金属球体所用的金属材料,还有可能创造出性能与传统铝合金相当,但重量大大减轻的CMF。无论采用以上哪种方式,都可以实现飞机性能和燃油效率的提高。

  这项研究是在美国航空航天局(NASA)的支持下完成的,项目编号为NNX17AD67A。

  本条动向的提供者陈济桁先生已为《空天防务观察》提供7篇专栏文章,如下表:

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